數據的源、洞、流和塌縮

吳俊杰

編者按：在旁聽高中信息技術課程標準修訂會議的時候，很多老師覺得信息的概念很難評價，“我腦子里的信息和你腦子里的信息怎么能量化呢？”為此黃榮懷教授給了我一個發言的機會。我坦言，在物理學中已經很明確的源、洞、流的概念，有助于我們加深對信息和數據的概念的理解，而且也有很明確的理論體系說明這個過程。在此，我覺得有必要對此做簡要的介紹，來完善信息技術實驗的理論體系。

在信息技術實驗的核心概念中，數據這一概念非常重要，它既是將生活中的各種信息數值化的手段，又是計算研究的對象。而信息技術實驗最常見的分析方法就是：根據一組數據，分析一下它的內部規律是什么。比如有100組反應時間，從中我們可以計算出它的平均值、最大值和最小值，然后得出結論“你的反應時間在最大值和最小值之間，平均值為多少”，這樣的過程甚至可以細化，通過概率和統計的知識，你甚至可以得到反應時間為某一個范圍的概率，這反映了一個重要的問題，就是人不可能記住這一百個數據，但卻能用科學的方法將數據的復雜性降低，抽象出內部的規律，產生新的數據。信息的量稱為數據，這種數據在流動的過程中數據量驟然減小的現象稱為信息的塌縮。

在德國卡爾斯魯厄物理課程中，物理學家們這樣描述信息：信息是客觀的，任何一個物體都可以存儲一定量的信息，它以比特為單位，有具體的量，記為X。

當這個物體傳輸信息的時候，傳輸了dX比特的信息，如果自身的信息量沒有相應地減少，就像一個人把一個八卦告訴另一個人，他還記得這個八卦，那么這個物體是信息的源，或者這個物體本身就在不斷地產生信息并且將其傳輸出去，因此它也被稱作信息的源。而如果有一個物體在接受信息之后，它沒有存儲這個信息，信息不見了，就像我們聽到了一個八卦，而根本沒有在意它，很快就忘記了，這個物體稱為信息的洞，對于計算機而言，洞比較好理解，刪除一個文件或者服務器定期地釋放空間，而人本身既是一個源，又是一個大大的洞，一方面我們通過遺忘來減少大腦的負擔，另一方面我們通過分析識別大大降低了人腦存儲的信息的量，信息量大大地塌縮。就像我們參加一個很大的聚會，里面有各種各樣的人，如果我們將人眼比喻成一部高清數碼相機，一眼看下去，我們接收到了至少幾百萬比特的信息，而我們第一眼卻只記錄了哪些人我認識、他們在哪里、穿什么衣服等這幾十個比特的東西。分析能力是任何智能系統與生俱來的，它與遺忘密不可分，機器智能與人的智能的一個重要的差距，在于目前它的記性太好，但是卻不太會遺忘。我們把一個物體包起來，在一段時間dt內，外界的信息的輸入，自身信息的產生，以及信息的銷毀或者遺忘，都會使得這個物體產生dX的信息量的變化，而變化除以變化所需的時間就是信息的流I，它像電流、水流一樣，用公式I=dX/dt描述，信息從一個物體傳遞到另一個物體，就需要傳輸介質，它們像電路、水路一樣，是電流和水流的載體，數據流也需要一個傳輸介質，我們稱作信道，它們就像是網絡中的一個節點，在此節點它們接受了信息，放大以后傳輸給別人，但是本身并不存儲信息，如果我們將一小段信道包起來，便會發現流入的信息量和流出的信息量相同。這段信道自身的信息量沒有變化，如果我們在信道上切下一個截面則發現這個截面在不斷地流入或流出信息，則可以根據截面的數據來測算信息流的大小。就像電路能夠承載的電流是有限的一樣，如果人不斷地接收信息，卻不進行分析和主動地塌縮，結果往往是他也難以承受這么大的信息流。

信道并不是百分之百閉合的，就像水流一樣，它在流動的過程中會自然滲入到地下，電纜在傳輸信號的過程中，不可避免地會在空間產生變化的磁場，而信息本身就在泄露，這種非主觀的泄露和故意的竊聽構成了信息安全的一個重要組成部分。從這個角度來看，防止接收有害的信息源，避免成為有害信息的洞，不要惡意地竊取它們處置信息的權利，保護自身處置信息的權利，保證自身信息流的大小在安全范圍內，主動地分析信息并實現信息的自主塌縮，構成了信息安全和倫理道德看得見摸得著可量化的部分。

在信息技術走向專業化的進程中，很多概念都在不斷厘清，特別是對于高中階段的學習，避免空洞的講述，淺層次的說教，讓學生在更高的認識高度來理解信息產生、消滅和流動的客觀規律和主觀策略，有助于減少課程建設當中的迷思和困惑，也有助于改進我們的教學。